DE2244019A1 - Schaltbauelement, insbesondere zur verwendung als speicher, und herstellungsverfahren - Google Patents
Schaltbauelement, insbesondere zur verwendung als speicher, und herstellungsverfahrenInfo
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Description
Dip?.-!ng. r?. β^ετζ
Dlp!-'.n;;. i'. LAMP^
Dlp!-'.n;;. i'. LAMP^
g Mln'.h·« 2% Stein·**** ti 2244019
410-19.353P 7. 9. 1972
Commissariat a 1'Energie Atomique. Paris
(Frankreich)
Schaltbauelement, insbesondere zur Verwendung als Speicher, und Herstellungsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltbauelemente mit
einem Aufbau Metall-Isolierstoff-Halbleiter (abgekürzt
M.I.H.), der im wesentlichen aus einer Halbleiterunterlage
(z. B. n- oder p-Silizium), einer mit Verunreinigungen
dotierten, dünnen, glasartigen, d. h. nicht kristallisierten Isolierschicht (z. B. aus dotiertem SiO2) und einer
oder mehreren dünnen, auf der Isolierschicht angebrachten Metallelektroden besteht. Die Erfindung betrifft insbesondere
ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Schaltbauelements sowie danach hergestellte Schaltbauelemente.
Die Schaltvorgänge, für die sich die MIH-Bauelemente
mit dünner, nicht kristallisierter Isolierschicht anbieten,
(8)
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sind bereits bekannt. Es ist insbesondere bekannt, solche Schaltbauelemente mit einer Schaltschwelle (mit einem Teil
negativen Widerstandverhaltens) oder einem Speicherschaltverhalten (mit zwei sehr verschiedenen Widerstandswerten)
herzustellen. Jedoch weisen die vorhandenen Schaltbauelemente wenig reproduzierbare Eigenschaften auf und zeigen
einen Mangel an Stabilität. Es wurden bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung solcher Schaltbauelemente entwickelt. Nach einem dieser Verfahren fertigt man ein MIH-Baueiernent ausgehend von einer Pastille aus dotiertem Silizium durch Aufbringen eines dünnen Siliziumdioxydfilms
und anschließend einer metallischen Elektrode aus einem einwertigen Metall. Dann dotiert man mittels Durchschlags
der Oxydschicht unter einer geeigneten elektrischen Spannung diese Schicht durch Diffusion von Metallionen der
Elektrode und formiert so Fallen. Nach einem zweiten Verfahren trennt man das Dotieren, das durch thermische Diffusion von aus der metallischen Schicht stammenden Ionen
durchgeführt wird, von dem Formiervorgang der Schicht, der mittels Durchschlage erfolgt. Keines dieser beiden Verfahren ist völlig befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltbauelements, vorzugsweise
zur Verwendung als Binärspeicher, mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln, wobei die Schaltbauelemente vor
allem besser reproduzierbare Eigenschaften und eine verbesserte Stabilität aufweisen sollen.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltbauelements, vorzugsweise zur Verwendung als Binärspeicher, bei
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dem man auf wenigstens einem Teil der Oberfläche einer Halbleiterunterlage
eine dünne» glasartige Isolierschicht bildet, auf dieser Schicht wenigstens eine dünne Metallelektrode
anbringt, die Isolierschicht mit Ionen dotiert und das Gefüge formiert, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der
Isolierschicht als Metallelektrode(n) solche aus einem nicht in die gesamte Dicke der Isolierschicht eindiffundierbaren
Metall anbringt, die Isolierschicht durch Ionenimplantation dotiert und das Gefüge mittels Lawinendurchschlags
unter Begrenzung der Stromdichte formiert.
Das Dotiermittel kann vorzugsweise unter den Elementen gewählt werden, die eine Atommasse von 5 his 18 aufweisen.
Insbesondere kann dieses Dotiermittel Phosphor oder Aluminium sein.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein zur Verwendung als Speicher geeignetes Schaltbauelement, das durch eine
eine dünne, glasartige, möglichst homogen dotierte und mittels Lawinendurchschlags formierte Isolierschicht tragende
Halbleiterunterlage, wenigstens eine auf der Isolierschicht angebrachte Elektrode aus einem nicht in die Isolierschicht
eindiffundierbaren Metall und Anschlüsse zum Anlegen der
einen oder der anderen von zwei Spannungen entgegengesetzter Polarität mit zum Auslösen des Umschaltens des Bauelements
zwischen zwei Widerstandsniveaus verschiedener Größenordnung ausreichenden Werten zwischen der Unterlage und der
Elektrode gekennzeichnet ist.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung veranschaulichten, die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels
näher erläutert; darin zeigen:
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Fig. 1 einen Teil des MIH-Aufbaues eines Schaltbauelements gemäß der Erfindung;
Stromes und der Spannung in der Schlußphase des Formierzyklus des Schaltbauelements nach Fig. 1;
und
Fig. 3 schematisch einen Speicherschaltzyklus des
Schaltbauelements nach Fig. 1.
Der MIH-Aufbau nach Fig. 1 umfaßt zunächst eine dUnne
Schicht einer Halbleiterunterlage 10, die aus p- oder n-Silizium sein kann, dessen Widerstand vorteilhaft höchstens
gleich 5 O. · cm unterhalb 25 °C ist. Die Unterlage 10 trägt
eine dünne glasartige Isolierschicht 12. Der Isolierstoff, aus dem diese Schicht besteht, ist z. B. Siliziumdioxyd
(SiO2), obwohl auch andere glasartige Stoffe, insbesondere
Si-N. als verwendbar anzusehen sind. Die dünne Isolierschicht trägt eine Anzahl von dünnen metallischen Elektroden 14 aus einem nicht in die ganze Dicke der Isolierschicht eindiffundierbaren Metall. Man kann insbesondere
Molybdän hierfür verwenden. Dagegen sind mindestens, wenn der Isolierstoff glasartiges Siliziumdioxyd ist, gewisse
andere Metalle, wie z. B. Aluminium, auszuschließen, da sie, insbesondere während des Lawinendurchschlags, leicht
in das Siliziumdioxyd unter Bildung eines Eutektikums eindiffundieren. Die Dicken sind z. B. für die Unterlage, die
aus n-Sllizium besteht und einen Widerstand von 5ß<
cm aufweist, 200 bis 300 Mikron, für die Isolierschicht aus Siliziumdioxyd 1000 % und für die quadratischen Elektroden
aus Molybdän, die eine Seitenlänge von 400 Mikron aufweisen,
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0,3 bis 0,5 Mikron. Das Schaltbauelement kann durch eine
dünne, metallische, unter der unterlage 10 angeordnete
(nicht dargestellte) Schicht vervollständigt werden, wenn die Unterlage nur eine Dotierung aufweist8 die ihr ©inen
zur Ermöglichung guter elektrischer Anschlüsse zu hohen Widerstandswert verleiht.
Der bisher beschriebene MIH-Aufbau ist herkömmlich. Wenn der Isolierstoff Siliziumdioxyd ist und die unterlage
aus dotiertem Silizium besteht, kann die Isolierschicht durch thermisches Aufwachsen dos Oxyds bei einer Temperatur
in der Größenordnung von 1050 0C nach einem derzeit
wohlbekannten und gut beherrschten Verfahren hexgestellt werden, worauf der Niederschlag von Metall und daa Photogravieren
des Metalls nach einem geeigneten Muster folgen.
Erfindungsgemäß wird dann die dünne Isolierschicht
derart dotiert, daß sie eine V©runr®iniguBgsdiehte von we-
20 *ί
nigs tens 10 Atome/cm in einer möglichst gleielMaäßigea Verteilung über ihre ganze Dicke aufweist, um genaue und reproduzierbare Eigenschaften zu haben. Die implantierten Atome werden weniger als Funktion ihrer Wertigkeit denn als Funktion ihres Atomgewichts ausgewählt, denn es scheint (obwohl die Richtigkeit dieser Erklärung so betrachtet werden muß, daß sie die Gültigkeit des Patents nicht beeinflußt) , daß die Natur und die Tiefe der durch diese Dotieratome geschaffenen Fallen die größte Rolle bei diesem Vorgang spielen. Im Fall des Siliziumdioxyds kann man mit Vorteil die Verwendung eines der Elemente von Bor bis Argon im periodischen System als Dotierelement ins Auge fassen. Diese Elementauswahl ist jedoch nicht als einschränkend anzusehen, sondern man kann auch die Verwendung anderer Me-
nigs tens 10 Atome/cm in einer möglichst gleielMaäßigea Verteilung über ihre ganze Dicke aufweist, um genaue und reproduzierbare Eigenschaften zu haben. Die implantierten Atome werden weniger als Funktion ihrer Wertigkeit denn als Funktion ihres Atomgewichts ausgewählt, denn es scheint (obwohl die Richtigkeit dieser Erklärung so betrachtet werden muß, daß sie die Gültigkeit des Patents nicht beeinflußt) , daß die Natur und die Tiefe der durch diese Dotieratome geschaffenen Fallen die größte Rolle bei diesem Vorgang spielen. Im Fall des Siliziumdioxyds kann man mit Vorteil die Verwendung eines der Elemente von Bor bis Argon im periodischen System als Dotierelement ins Auge fassen. Diese Elementauswahl ist jedoch nicht als einschränkend anzusehen, sondern man kann auch die Verwendung anderer Me-
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tallatome mit höherer Atomnummer ins Auge fassen. Wenn das
Siliziumdioxyd durch einen anderen glasartigen Isolierstoff ersetzt wird, kann das ein Grund dafür sein, diese Grenzen
in mäßigem Umfange zu modifizieren und gewisse von den Grenzen erfaßte Elemente auszuschließen. In der Hehrzahl der
Fälle kann jedoch Phosphor, bei dem man die Implantationsbedingungen durch Ionenbündel gut kennt, sowie Aluminium,
mit Vorteil verwendet werden.
Die Verunreinigungsdichte ist in der dünnen Schicht so gleichmäßig wie möglich verteilt, da die Schalterscheinung
nur in den Zonen auftritt, die eine Dichte über 10 Atome/cm
(mindestens im Fall der Implantation von Phosphor in Siliziumdioxyd) aufweisen, so daß die ungenügend dotierten Zonen nicht zur Wirkung kommen. Zu diesem Zweck kann man die
Implantation vornehmen, indem man mit einer maximalen Energie der zu implantierenden Ionen beginnt, was zu einer bevorzugten Dotierung der tiefen Zonen der Schicht führt, und
anfangs ebenfalls mit einem maximalen Fluß arbeitet, während anschließend fortlaufend und in geeigneter Weise sowohl die
Energie als auch der Fluß verringert werden. Beispielsweise wurden die Phosphorimplantationabedingungen gemäß der folgenden Tabelle bei einer Siliziumdioxydschicht «iner Dicke
von 1000 X angewandt und ließen eine praktisch gleichmäßige Verunreinigungsdichte von 10 Atome/cm erzielen.
Energie der Ionen Gehäufter Fluß (keV) (Ionen/cm2)
80 7,2 χ 106
kZ
2,8 χ 106
23 1,* X 106
12 0,9* x 106
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Das so durch thermisches Aufwachsen von Silisiraadioxyö,
Dotieren mittels Ionenimplantation und Aufbringung von metallischen
Elektroden hergestellte MIEI-Sehaltibauelament
weist ein Strom-Spannungs-Verhalten der Form
weist ein Strom-Spannungs-Verhalten der Form
I = Io exp (oC ο V)
auf. In dieser Formel bedeutet I den Strom, Io den Arafangsstrom,
V die Spannung und oC einen-Koeffizienten, der eng
mit der Verunreinigungsdichte verknüpft asu sein scheint.
Dieses Variationsgesetz scheint einen Leitungavorgang durch Elektronenfallen anzudeuten.
mit der Verunreinigungsdichte verknüpft asu sein scheint.
Dieses Variationsgesetz scheint einen Leitungavorgang durch Elektronenfallen anzudeuten.
16
Für die Schicht, deren Globalimplantation 1 χ 10 ist,
Für die Schicht, deren Globalimplantation 1 χ 10 ist,
hat man °C = 0,2. Dieser ¥ert fällt für ©inen Fluß usad ©ia©
Dichte, die 10mal schwächer sind, auf Q„06 und bleibt damm
praktisch für alle niedrigeren Werte vom Flüssen und Verunreinigungsdichten
gleich. Dagegen eyMfet eich nnä erreicht
den Wert 0,k für eine 10mal grBQere Dichte ©mtsprechend
obiger Tabelle.
In dem besonderen Fall von mit Wh&mphor dotiertem Si-liziumdioxyd
ist es nicht erforderliefe.9 ein© Anlaiiboharad»
lung der Schichten vorzunehmen, welche eine Ausheilung gewisser Fehlerstellen hervorruft, deren Entstehen mit der
Implantation verbunden ist. Diese Anlaßbehandlung kann jedoch vorgenommen werden und aus einem Erhitzen von 15 Minuten auf eine Temperatur von höchstens 500 0C bestehen. Si® ist mit einer sehr merklichen Verringerung des Koeffizienten oC verbunden.
lung der Schichten vorzunehmen, welche eine Ausheilung gewisser Fehlerstellen hervorruft, deren Entstehen mit der
Implantation verbunden ist. Diese Anlaßbehandlung kann jedoch vorgenommen werden und aus einem Erhitzen von 15 Minuten auf eine Temperatur von höchstens 500 0C bestehen. Si® ist mit einer sehr merklichen Verringerung des Koeffizienten oC verbunden.
Das beschriebene und gegebenenfalls angelassene MIH-
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Bauelement muß anschließend formiert werden. Diese Formierung umfaßt vorteilhaft zwei Phasen. Die erste, die zur
Schaffung von Fehlerstellen dient, ist obligatorisch. Sie besteht darin, die Isolierschicht 12 unter einer ausreichenden Spannung (z. B. 50 Volt im Fall einer Schicht 12
von 1000 A) zu "durchschlagen", um einen Lawinendurchschlag
hervorzurufen, wobei das Vorzeichen der angelegten Spannung ohne Bedeutung ist, man jedoch den Lawinenstrom auf einen
genügend niedrigen Vert in der Größenordnung von 100 mA/cm (z. B. 0,2 mA im Fall von Elektroden von Ί00 /u χ 400 /u)
begrenzt. Die Leitfähigkeit der Schicht steigt scharf an, wenn die Durchschlagsspannung erreicht ist, es ist jedoch
erforderlich, den Lawinenetrom z. B. durch Einschalten eines geeigneten Widerstandes im äußeren Spannungpanlegungskreis zu begrenzen, weil sonst ein irreversibler Schaden
auftritt.
Der FormierungszykluB wird vorteilhaft durch eine zweite Phase vervollständigt, die in Fig. 2 veranschaulicht ist.
Dies· zweite Phase besteht darin, an die Elektrode 14 eine
gegenüber der unterlage positive Spannung anzulegen, die man nach und nach derart erhöht, daß der Funktionsverlauf 16,
der praktisch linear ist und einem geringen Widerstand (Leit· zustand) entspricht, der durch die erste Formierphase geschaffen ist, bis zu einem Strom durchlaufen wird, der im
weiter oben erläuterten Beispiel etwa 0,5 ■·*■ ausmacht. Ein
Schaltvorgang tritt nun auf und führt die Spannung auf einen Wert V. zurück, von welchem aus das Verhalten einem
Funktionsverlauf 18 folgt, der eine Zone negativen Widerstandes entsprechend einem Schwellenschaltverbalten aufweist. Diese Funktionskurve 18 wird bei der Verringerung
der angelegten Spannung durchlaufen.
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Die Funktionskurve 18 ist stabil und bleibt so lange
reproduzierbar, wie die angelegte Spannung das gleiche Vorzeichen behält. Jedoch liegt dann ein Schwellenschaltbereich
vor, der weniger direkt als ein Speicherschaltverhalten ausnutzbar ist, das man im Anschluß daran durch abwechselndes
Anlegen von positiven und negativen Spannungen erreicht.
Im Fall einer Schicht 12 aus Siliziuradioxyd von 1000 %
Dicke mit einer Dotierung von etwa 10 Atome/cm liegen die Spannungen V2 (Spannung des Überganges vom Leitsustand in
den isolierenden Zustand) und V (Ausgangspunkt der Schaltfunk
tion skurve 18) im folgenden Bereich:
V1 zwischen 2 Volt und 3 Volt}
V2 zwischen 3 Volt und 5 Volt.
Das MXH-Bauelement wird anschließend vorteilhaft ausgenutzt,
indem man es den schematisch in Fig. 3 mit dickem
Strich gezeichneten Speicherzyklus durchlaufen läßt. Die Schaltvorgänge treten bei Spannungen V' und V2 auf» die
im Fall einer dünnen Schicht 12 aus Siliziumdioxyd von 1000 A Dicke bei einer Verunreinigungsdichte über 10
Atome/cm J in dem folgenden Bereich liegens
V1 zwischen -5 Volt und -3 Volt (metallische Elektrode
14 negativ gegenüber der Unterlage);
V2 zwischen 2 Volt und 3 Volt.
Man sieht, daß die Schaltschwellen V· und V' niedrig und mit zahlreichen Typen von logischen integrierten Stan-
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dardschaltkreisen und insbesondere mit den TTL-Logikeinheiten
kompatibel sind. Die den beiden Zuständen entsprechenden Widerstände sind im Fall von Fig. 3:
Das Einschreiben erfolgt durch Anlegen einer negativen Spannung mit einem Absolutwert über V1 und ausreichender
Dauer (mindestens -10 Volt und 50 /us zum Erhalten eines
wohldefinierten Widerstandes). Das Auslöschen (Rückkehr zum isolierenden Zustand) erfolgt durch Anlegen eines positiven
Spannungsimpulses mit einer Amplitude über V1,, Praktisch
hat man Impulse verwendet, die einen Strom von 1 bis 2 mA auftreten lassen und eine Dauer über 0,1 /us aufweisen. Man
erhielt so eine Zyklusdauer Einschreiben - Lesen - Löschen · Lesen von 350 /us.
Man sieht, daß die Erfindung eine Speichervorrichtung mit wohldefinierten und reproduzierbaren Eigenschaften liefert, die nach einem verhältnismäßig einfachen Verfahren
erhältlich ist und einen erhöhten technologischen Wirkungsgrad ermöglicht. Die erhaltene Vorrichtung weist eine ausreichende Einschreibgeschwindigkeit auf, um als modifizierbarer Speicher (memoire morte) verwendbar zu sein. Die Steuerspannungen sind mit den Niveaus von üblichen logischen
integrierten Schaltungen, insbesondere des TTL-Typs, kompatibel.
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Claims (3)
- PatentansprücheVerfahren zum Herstellen eines Schaltbauelements,vorzugsweise zur Verwendung als Binärspeicher, bei dem man auf wenigstens einem Teil der Oberfläche einer Halbleiterunterlage eine dünne, glasartige Isolierschicht bildet, auf dieser Schicht wenigstens eine dünne Metallelektrode anbringt, die Isolierschicht mit Ionen dotiert und das Gafüge formiert, dadurch gekennzeichnet „ daß man auf der Isolierschicht als Metallelektrode(n) solche aus einem nicht in die Gesamtdicke der Isolierschicht eindiffundierbaren Metall anbringt, die Isolierschicht durch Ionenimplantation dotiert und das Gefüge mittels Lawinendurchschlage unter Begrenzung der Stromdicht® formiert»
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxydschicht möglichst homogen dotiert«,
- 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Oxydschicht eine Dotierungs-20 *i atomdichte von wenigstens 10 Atome/cmJ implantiert,k. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation zunächst mit einer zum bevorzugten Dotieren der tiefen Zonen der Oxydschicht gewählten maximalen Ionenenergie und Maximalintensitätsströmung erfolgt und die Energie und die Strömung des Ionen· flueeee anschließend fortlaufend, gegebenenfalls in Stufen verringert werden.30981 1/10515. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stromstärke beim Lawinendurchschlag auf einen Wert von etwa 100 mA/cm begrenzt.6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß man die Formierung durch Anlegen einer bezüglich der Unterlage positiven Spannung an die Elektrode bis zur Rückkehr in den isolierenden Zustand vervollständigt.7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Formieren eine Anlaßbehandlung des Gefüges vornimmt.8. Zur Verwendung als Speicher geeignetes Schaltbauelement, gekennzeichnet durch eine eine dünne, glasartige, möglichst homogen dotierte und mittels Lawinendurchschlags formierte Isolierschicht (12) tragende Halbleiterunterlage (1O), wenigstens eine auf der Isolierschicht (12) angebrachte Elektrode (i4) aus einem nicht in die Isolierschicht eindiffundierbaren Netall und Anschluss· zum Anlegen der einen oder der anderen von zwei Spannungen (v* , V'2) entgegengesetzter Polarität mit zum Auslösen des Umschaltens des Bauelements zwischen zwei Widerstandsniveaus verschiedener Größenordnung ausreichenden Werten zwischen der Unterlage (1O) und der Elektrode9. Schaltbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14) aus Molybdän bestehen.309811/105110. Schaltbauelement nach den Ansprüchen 8 rand 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (12) mit Phosphor oder Aluminium dotiert ist.11. Schaltbauelement nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1O) aus n- oder p-Silizium besteht, die Isolierschicht (12) aus glasartigem Siliziumdioxyd ist und eine Dick® von etwa 1000 £ hat und21 die Dotieratomdichte in der Größenordnung von 1 χ 10 Atome/cm liegt.12. Schaltbauelement nach den Ansprüchen 8 bis 10, da· durch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (12) aus glasartigem Siliziumnitrid (Si„N.) besteht und ©ine Dicke von etwa 1000 £ hat.3.0981 1/1051Leerseite
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FR7132775A FR2152403B1 (de) | 1971-09-10 | 1971-09-10 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=9082787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19722244019 Pending DE2244019A1 (de) | 1971-09-10 | 1972-09-07 | Schaltbauelement, insbesondere zur verwendung als speicher, und herstellungsverfahren |
Country Status (4)
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Families Citing this family (1)
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Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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- 1972-09-07 DE DE19722244019 patent/DE2244019A1/de active Pending
- 1972-09-08 JP JP9025972A patent/JPS5643618B2/ja not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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